Лекции

Возбужденный неподвижный ротор не раскрутится, потому что над полюсами ротора будут чередоваться разноименные полюсы вращающегося магнитного потока статора. На ротор будет действовать электромагнитная сила тяжения полюсов в разные стороны, и пусковой момент, действующий на ротор, будет равен нулю.

Для того чтобы на ротор начал действовать электромагнитный момент, не равный нулю, нужно раскрутить ротор в сторону вращения магнитного потока статора до скорости чуть меньше скорости потока. Тогда магнитный поток статора относительно вращающегося ротора будет перемещаться медленно, ротор будет успевать притягиваться к противоположным полюсам вращающегося магнитного потока и после некоторых качаний ротор начнет вращаться со скоростью потока. Отсюда и название двигателя – синхронный.

Раскрутку инерционного ротора СД можно осуществить либо ВД, что применяется для крупных СД, либо электромагнитным моментом комбинированного ротора, что применяется для микро-СД, либо плавным увеличением частоты питающего напряжения.

Одна из конструкций комбинированного ротора СД указателя тахометра ТЭ-45 имеет вид, показанный на рис. 3.16, а.

Рис. 3.16. Конструкция СД с асинхронным элементом запуска и его механическая характеристика

1 – статор; 2 – короткозамкнутый ротор; 3 – статорная обмотка; 4 – стержни короткозамкнутой обмотки; 5 – короткозамыкающие кольца; 6 – постоянный магнит

При включении трехфазного статора 1 в трехфазную сеть образуется вращающийся магнитный поток и под действием электромагнитного момента асинхронного элемента запуска 2 комбинированный ротор начинает разгоняться по механической характеристике АД от точки А до точки В (рис. 3.16, б). В точке В происходит скольжение входа в синхронизм Sвх ≈ 0,05, далее полюсы ротора начинают притягиваться к противоположным полюсам вращающегося магнитного потока и после некоторых качаний (рис. 3.16, в) ротор переходит в точку С, имея скольжение S = 0, т.е. синхронную скорость вращения.

91

В синхронном режиме элемент запуска 2 является балластом. Он не создает вращающегося момента, но при качаниях ротора играет полезную роль демпфера.

Синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением нельзя запускать с разомкнутой обмоткой возбуждения, поскольку во время разгона ротора при S > 0 в ней индуктируется вращающимся магнитным полем ЭДС (см. (2.38):

Eв = 4,44 f2 Wв Фm = 4,44 f1 S Wв Фm ,

где f2=f1.S – частота изменения тока в обмотке возбуждения; Wк – число витков обмотки возбуждения; Фm – амплитуда магнитного потока вращающегося поля.

В начальный момент пуска при S = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Ев может достигать очень большой величины и вызвать пробой изоляции. Поэтому при запуске обмотку возбуждения СД замыкают на гасящий резистор Rдоб, сопротивление которого примерно в 10 раз больше сопротивления обмотки возбуждения Rв. После разгона двигателя до S ≈ 0,05, гасящее сопротивление отключают, обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока и ротор втягивается в синхронизм.

3.12. НАГРУЖЕНИЕ СД

После запуска СД можно нагружать моментом Мс, приложенным к валу.

3.13.РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ДОСТОИНСТВА

ИНЕДОСТАТКИ СД

Рабочие характеристики – это зависимости Ia, M2, n2, cos ϕ, η от Р2. Они имеют вид, показанный на рис. 3.18.

92

Следует отметить, что cos ϕ может достигать единицы при регулировании возбуждения ротора, М2 – линейно зависит от мощности на валу Р2, поскольку n2 = const, т.е. не зависит от Р2.

КПД относительно высокий в СД с ротором магнитом, потому что нет потерь на возбуждение ротора.

Потребляемый ток с увеличением Р2 изменяется не очень сильно, благодаря тому, что большая часть результирующего магнитного потока создается ротором.

Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

1)возможность работы при cos ϕ =1, что приводит к улучшению cos ϕ сети, а также к уменьшению размеров самого двигателя, т.к. его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности; при работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций;

2)меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, т.к. их вращающий момент пропорционален напряжению в первой степени, а не квадрату напряжения, как у асинхронных двигателей;

3)строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатки СД:

1)их конструкция сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током; вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже АД;

2)сравнительная сложность пуска в ход;

3)трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только при изменении частоты питающего напряжения.

93

Эти недостатки СД делают их менее выгодными по сравнению с АД при мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cos ϕ и уменьшенные габаритные размеры машины, СД предпочтительнее АД.

3.14. УРАВНЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ НАПРЯЖЕНИЯ, ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ СД С НЕЯВНОПОЛЮСНЫМ РОТОРОМ

По аналогии с трансформатором уравнение равновесия напряжения для СД с неявнополюсным ротором имеет вид

где U – напряжение фазы, –Е0 – противоЭДС холостого хода, Ia.j.Xс – падение напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении фазы статорной обмотки.

Электромагнитная мощность и электромагнитный вращающий момент синхронного двигателя с неявнополюсным ротором

тор.

3.15. СИНХРОННЫЙ КОМПЕНСАТОР

Синхронные компенсаторы (СК) предназначаются для компенсации коэффициента мощности и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Синхронный компенсатор – это синхронный двигатель, работающий вхолостую без нагрузки на валу с перевозбуждением ротора. При этом СД потребляет из сети опережающий ток и эквивалентен конденсатору. Однако в периоды спада потребительских нагрузок

94

Пуск осуществляется за счет асинхронного момента, обусловленного вихревыми токами в алюминиевом сплаве, а синхронизирующий электромагнитный момент возникает при искривлении магнитных линий потока Ф статора, стремящихся пройти по пути наименьшего

Фмагнитного сопротивления.

ки СРД существенно ниже характеристик обычного СД с ротором-магнитом. Достоинство СРД – это простота конструкции ротора. Недостаток: из-за

того, что Рэм ~ sin 2θ двигатель можно нагружать только до угла отставания 45 электрических градусов.

Синхронный гистерезисный двигатель.

Синхронный гистерезисный двигатель (СГД) имеет обычный трехфазный или двухфазный статор, а ротор представляет собой втулку, состоящую из колец специальной стали с петлей гистерезиса, занимающей промежуточное положение между петлей магнитнотвердого материала и петлей магнитномягкой стали (рис. 3.27). Такие сплавы называются гистерезисными. К ним относятся стали типа викаллой и альни.

Рис. 3.27. Петля гистерезиса магнитных материалов и конструкция ротора СГД

97

Вращающийся магнитный поток статора намагничивает гистерезисный слой ротора, который можно представить как слой, состоящий из маленьких магнитиков, поворачивающихся вокруг своих неподвижных осей вслед за пере-

Фмещением магнитного потока статора с некоторым отставанием на гистерезис-

своих осей не вращаются, и ротор уподобляется постоянному магниту, намагниченному полем статора, вращающемуся синхронно с потоком статора.

По своим энергетическим характеристикам СГД занимает промежуточное положение между СД с ротором-магнитом и СРД.

Преимущество СГД в том, что ротор очень простой конструкции. Вращающий электромагнитный момент возникает как в асинхронном, так и в синхронном режиме и не требуется элементов запуска.

Чтобы получить механическую характеристику, проведем следующие рассуждения. Электромагнитную мощность на перемагничивание гистерезис-

где Vг – объем гистерезисного материала, руд – удельная мощность (Вт/м3.Гц). Мощность потерь на перемагничивание при вращающемся роторе можно

записать как

Гистерезисный момент при этом будет равен

98

Впромежуток времени 0 – t1 ток протекает только в фазе 1, и ротор расположен по оси полюсов 1 – 1 вдоль магнитного потока Ф.

Вмомент времени t1 появится импульс напряжения в фазе 2. На ротор будут действовать силы одновременно двух полюсов 1 и 2. В результате ротор по-

99

вернется по часовой стрелке и займет промежуточное положение между полюсами 1 и 2 поперек магнитного потока Ф.

Вмомент времени t2 ток в фазе 1 прекратится и ротор повернется еще на один шаг по часовой стрелке, заняв положение по оси полюсов 2 – 2.

Вмомент времени t3 появится ток в фазе 3, ротор повернется еще на шаг

изаймет положение между полюсами 2 – 3.

Вмомент t4 прекратится ток в фазе 2, ротор займет положение по оси полюсов 3 – 3.

Вмомент t5 появится ток в фазе 1, ротор займет положение между полюсами 1 – 3.

Рис. 3.30. Устройство и принцип действия реактивного шагового двигателя

100